CN110538549A - 一种用混合传导膜捕获燃煤电厂co2的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于燃煤电厂CO2捕集技术领域的一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统及方法。该系统包括燃煤电厂锅炉、水蒸气甲烷重整器、混合传导膜MECC、混合器、换热器、余热锅炉、冷凝器、多级压缩机、汽轮机及发电机等。本发明采用操作灵活度高的CO2捕获工艺：将燃煤电厂锅炉排气与空气混合通入混合传导膜进料侧，利用混合传导膜进料侧的电化学反应，混合传导膜渗透侧排气含有高浓度的CO2，排气中的O2与重整器排出的CO及H2发生氧化反应，生成CO2和H2O，大幅减少燃煤电厂的CO2排放量；同时产生的蒸汽进入汽轮机做功，进行余热回收利用。实现燃煤电厂CO2减排和低能耗回收CO2，达到能耗小、效率高的目的。

Description

一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统及方法
技术领域
本发明属于燃煤电厂CO2捕集技术领域，特别涉及一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统及方法。其中，混合传导(MECC)膜能同时传导电子和离子。
背景技术
近年来，温室效应导致的全球气候变化问题日益威胁人类的生存和发展，而二氧化碳是公认的最主要的温室气体之一。在燃煤电厂烟道气中CO2排放量占温室气体总排放量的30％以上。
目前主要存在燃烧前捕获、富氧燃烧捕获和燃烧后捕获三种捕获技术，燃烧后捕获技术是符合当前经济发展可行的最成熟的技术，燃烧后烟道气脱碳技术主要包括化学吸收法、物理吸附法和膜分离法等。
化学吸收法已成为国际上应用最广泛、适应性最强的燃煤电厂烟气脱碳工艺技术。其中，以MEA脱碳技术最为成熟。但这种方法存在很多问题，如：MEA单位摩尔的CO2负载量小、随着循环次数的增加，由于氧化、热降解、发生不可逆反应、蒸发等原因导致吸收剂吸收效率下降以及吸收剂损耗、吸收剂降解产物造成系统腐蚀、再生能耗大、初投资和运行成本偏高等。有鉴于此，本发明提出一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统及方法，其特征在于，所述用混合传导膜捕获燃煤电厂烟气中CO2的系统，该系统主要包括：燃煤电厂锅炉1、水蒸气甲烷重整器2、混合传导膜、混合器3、换热器、余热锅炉、冷凝器11、多级压缩机12、汽轮机及发电机。其特征在于，燃煤电厂锅炉1与第一换热器19和混合器3串联；混合器3与第一混合传导膜6、第一换热器19、第二混合传导膜7、第三换热器21、第三混合传导膜8、第四换热器22、第四混合传导膜9、第五换热器23、第五混合传导膜10、第六换热器24、第二余热锅炉5和第三汽轮机15依次串联，第三汽轮机15驱动第三发电机18发电；水蒸气甲烷重整器2的燃烧室排气口与混合器3相连，水蒸气甲烷重整器2与第一混合传导膜6、第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10的下部入口并联；第二换热器20分别与第一混合传导膜6下部出口、混合器3、空气入口和第一余热锅炉4连接；第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9及第五混合传导膜10下部出口一起与第一余热锅炉4连接；第一余热锅炉4再分别连接冷凝器11和第一汽轮机13；第一汽轮机13驱动第一发电机16发电；冷凝器11与多级压缩机12连接，并输出CO2；第三换热器21、第四换热器22、第五换热器23和第六换热器24的输出并联后与第二汽轮机14连接，第二汽轮机14驱动第二发电机17发电；第三换热器21、第四换热器22、第五换热器23和第六换热器24的输入分别与进水管连接。
所述水蒸气甲烷重整器2分别设置有燃料、水、空气与合成气入口。
所述水蒸气甲烷重整器2分为燃烧室和重整室；燃烧室中燃料CH4与空气发生燃烧反应，生成CO2和水蒸气；重整室中燃料CH4与水蒸气发生重整反应，生成合成气(CO+3H2)。
所述第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10中进料侧与渗透侧与第一混合传导膜6中相同。
所述第一余热锅炉4出口蒸汽进入第一汽轮机13做功，并驱动第一发电机16发电。
所述第二余热锅炉5出口蒸汽进入第三汽轮机15做功，并驱动第三发电机18发电。
所述从进水管的给水分别与经第三换热器21、第四换热器22、第五换热器23和第六换热器24加热成蒸汽后，进入第二汽轮机14做功，并驱动第二发电机17发电。
所述混合传导膜MECC能传导碳酸根离子与电子。
一种用混合传导膜MECC捕获燃煤电厂烟气中CO2的方法，包括：
(1)所述燃煤电厂锅炉1尾部烟气经冷凝器11后，与经多级压缩机12后的空气进入水蒸气甲烷重整器2的燃烧室，在从水蒸气甲烷重整器2的燃料、水、空气与合成气入口进入水蒸气甲烷重整器2的燃烧室中的燃料CH4与空气发生燃烧反应，生成CO2和水蒸气；重整室中燃料CH4与水蒸气发生重整反应，生成合成气(CO+3H2)在混合器3混合后，进入第一混合传导膜6的进料侧；
(2)第一混合传导膜6进料侧的二氧化碳与氧气在进料侧传导膜表面发生电化学反应生成碳酸根离子；未反应的气体经冷凝器11后进入第二混合传导膜7；
(3)第一混合传导膜6渗透侧的碳酸根离子在渗透侧传导膜表面发生电化学反应生成二氧化碳与氧气，其中氧气与来自水蒸气甲烷重整器2的合成气CO与H2发生反应生成二氧化碳与水；所述第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10中进料侧与渗透侧传导膜表面发生电化学反应与第一混合传导膜6中相同。
(4)步骤(2)与步骤(3)中各混合传导膜渗透侧富集的二氧化碳经第一余热锅炉4与冷凝器11后，进入多级压缩机12压缩，最后捕集回收。
本发明有益效果是本发明能耗小、效率高、操作灵活度高的CO2捕获工艺：将燃煤电厂锅炉排气与空气混合通入混合传导膜进料侧，利用混合传导膜进料侧的电化学反应，消耗燃煤电厂排气中的CO2，大幅减少燃煤电厂的CO2排放量；混合传导膜渗透侧排气含有高浓度的CO2，排气中的O2与重整器排出的CO及H2发生氧化反应，最终排气中只有CO2和H2O，避免了大量N2对CO2的掺混稀释，大大降低了CO2的回收能耗；同时产生的蒸汽进入汽轮机做功，进行余热回收利用。实现燃煤电厂CO2减排和低能耗回收CO2，达到提高系统效率的目的。
附图说明
图1为一种用混合传导膜捕获燃煤电厂烟气中CO2的系统示意图。
图中：1-燃煤电厂锅炉；2-水蒸气甲烷重整器；3-混合器；4～5-余热锅炉；6–第一混合传导膜系统；7-第二混合传导膜系统；8-第三混合传导膜系统；9-第四混合传导膜系统；10-第五混合传导膜系统；11-冷凝器；12-多级压缩机；13～15-汽轮机；16～18-发电机；19～24-换热器。
具体实施方式
本发明提供一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统及方法，下面结合附图予以说明。
图1所示为一种用混合传导膜捕获燃煤电厂烟气中CO2的系统示意图。所述用混合传导膜捕获燃煤电厂烟气中CO2的系统包括：燃煤电厂锅炉1、水蒸气甲烷重整器2、混合传导膜系统6～10、混合器3、换热器19～24、余热锅炉4～5、冷凝器11、多级压缩机12、汽轮机13～15及发电机16～18。其特征在于，燃煤电厂锅炉1与第一换热器19和混合器3串联；混合器3与第一混合传导膜6、第一换热器19、第二混合传导膜7、第三换热器21、第三混合传导膜8、第四换热器22、第四混合传导膜9、第五换热器23、第五混合传导膜10、第六换热器24、第二余热锅炉5和第三汽轮机15依次串联，第三汽轮机15驱动第三发电机18发电；水蒸气甲烷重整器2的燃烧室排气口与混合器3相连，水蒸气甲烷重整器2与第一混合传导膜6、第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10的下部入口并联；第二换热器20分别与第一混合传导膜6下部出口、混合器3、空气入口和第一余热锅炉4连接；第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9及第五混合传导膜10下部出口一起与第一余热锅炉4连接；第一余热锅炉4再分别连接冷凝器11和第一汽轮机13；第一汽轮机13驱动第一发电机16发电；冷凝器11与多级压缩机12连接，并输出CO2；第三换热器21、第四换热器22、第五换热器23和第六换热器24的输出并联后与第二汽轮机14连接，第二汽轮机14驱动第二发电机17发电；第三换热器21、第四换热器22、第五换热器23和第六换热器24的输入分别与进水管连接；
所述第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10中进料侧与渗透侧与第一混合传导膜6中相同。
所述从进水管的给水分别与经第三换热器21、第四换热器22、第五换热器23和第六换热器24加热成蒸汽后，进入第二汽轮机14做功，并驱动第二发电机17发电。
实施例
本发明工作时，燃煤电厂锅炉1尾部烟气经冷凝器11后，与经多级压缩机12后的空气进入水蒸气甲烷重整器2的燃烧室，在混合器3混合后，进入第一混合传导膜6的进料侧；其第一混合传导膜6进料侧的二氧化碳与氧气以2:1的摩尔比在进料侧传导膜表面发生电化学反应，生成碳酸根离子和电子；未反应的气体经冷凝器11后进入第二混合传导膜系统7。
利用混合传导膜MECC能同时传导碳酸根离子与电子，水蒸气甲烷重整器2分别设置有燃料、水、空气与合成气入口。以及水蒸气甲烷重整器2分为燃烧室和重整室；在燃料、水、空气与合成气入口进入燃烧室中的燃料CH4与空气发生燃烧反应，生成CO2和水蒸气；重整室中燃料CH4与水蒸气发生重整反应，生成合成气(CO+3H2)。并为重整反应提供热量，以500℃的温度进入混合器3；重整室中燃料CH4与水蒸气发生重整反应，生成合成气(CO+3H2)，并同样以500℃的温度分别进入第一混合传导膜6、第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10的进料侧与渗透侧；然后通过合成气在混合传导膜渗透侧参与反应与吹扫，第一混合传导膜6渗透侧的碳酸根离子在渗透侧传导膜表面发生电化学反应生成二氧化碳与氧气，其中氧气与来自水蒸气甲烷重整器2的合成气CO与H2发生反应生成二氧化碳与水；所述第二混合传导膜7、第三混合传导膜8、第四混合传导膜9和第五混合传导膜10中进料侧与渗透侧传导膜表面发生电化学反应与第一混合传导膜6中相同。促进混合传导膜进料侧CO2不断向渗透侧富集，各混合传导膜渗透侧富集的二氧化碳经第一余热锅炉4与冷凝器11后，进入多级压缩机12压缩，最后捕集回收。回收利用捕获CO2过程中的能量用于发电，实现燃煤电厂CO2减排和低能耗回收CO2。
在本实施例中，第一余热锅炉4出口蒸汽压力为20.4atm，温度426℃的过热蒸汽进入第一汽轮机13做功，并驱动第一发电机16发电。
第二余热锅炉5出口蒸汽压力为5atm，温度155℃的过热蒸汽进入第三汽轮机15做功，并驱动第三发电机18发电。
为保持各混合传导膜中进料侧反应温度不会过高，在各换热器水入口加入冷水，以吸收过剩热量，使得进入下一混合传导膜进料侧的气体温度保持在500℃左右。其中，利用水吸收过剩热量，产生压力20.4atm，温度426℃的过热蒸汽，进入第二汽轮机14做功，并驱动第二发电机17发电。
以取某600MW燃煤电厂为例，假设空气成分为N2 78％，O2 21％，CO2 0.03％，H20.03％，Ar 0.94％；电厂发电效率为40％。燃煤电厂初始条件见表1，混合传导膜MECC捕获CO2单元初始条件见表2，发电单元初始条件见表3。
表1燃煤电厂烟气初始条件
表2 MECC膜捕获CO2单元初始条件
表3发电单元初始条件
计算结果如表4所示：
表4计算结果
由表4可知，当CO2回收率为90％时，用MECC膜捕获燃煤电厂CO2的能耗为2.8GJ/t。比现已有的燃煤电厂CO2捕获技术(Econamine FG、Mitsubishi KS-1、MEA)能耗3.2～4.2GJ/t都要低9.5％～12.5％。本发明不仅实现了对燃煤电厂烟气中CO2的有效捕获，并且还大幅降低了捕获CO2的能耗。
综上所述，本发明是一种能耗小、效率高、操作灵活度高的CO2捕获工艺。该工艺是利用混合传导膜MECC能同时传导电子和离子，通过合成气在混合传导膜渗透侧参与反应与吹扫，促进混合传导膜进料侧CO2不断向渗透侧富集进而捕获，并能回收利用捕获CO2过程中的能量用于发电，从而解决燃煤电厂大量CO2排放和捕获CO2耗能较高的问题，实现燃煤电厂CO2减排和低能耗回收CO2，并提高系统效率的目的。不仅实现了燃煤电厂的低CO2排放，还降低了回收CO2的能耗，提高了系统效率。

Claims (9)

1.一种用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述用混合传导膜捕获燃煤电厂烟气中CO2的系统包括：燃煤电厂锅炉、水蒸气甲烷重整器、混合传导膜、混合器、换热器、余热锅炉、冷凝器、多级压缩机、汽轮机及发电机；燃煤电厂锅炉(1)与第一换热器(19)和混合器(3)串联；混合器(3)与第一混合传导膜(6)、第一换热器(19)、第二混合传导膜(7)、第三换热器(21)、第三混合传导膜(8)、第四换热器(22)、第四混合传导膜(9)、第五换热器(23)、第五混合传导膜(10)、第六换热器(24)、第二余热锅炉(5)和第三汽轮机(15)依次串联，第三汽轮机(15)驱动第三发电机(18)发电；水蒸气甲烷重整器(2)的燃烧室排气口与混合器(3)相连，水蒸气甲烷重整器(2)与第一混合传导膜(6)、第二混合传导膜(7)、第三混合传导膜(8)、第四混合传导膜(9)和第五混合传导膜(10)的下部入口并联；第二换热器(20)分别与第一混合传导膜(6)下部出口、混合器(3)、空气入口和第一余热锅炉(4)连接；第二混合传导膜(7)、第三混合传导膜(8)、第四混合传导膜(9)及第五混合传导膜(10)下部出口一起与第一余热锅炉(4)连接；第一余热锅炉(4)再分别连接冷凝器(11)和第一汽轮机(13)；第一汽轮机(13)驱动第一发电机(16)发电；冷凝器(11)与多级压缩机(12)连接，并输出CO2；第三换热器(21)、第四换热器(22)、第五换热器(23)和第六换热器(24)的输出并联后与第二汽轮机(14)连接，第二汽轮机(14)驱动第二发电机(17)发电；第三换热器(21)、第四换热器(22)、第五换热器(23)和第六换热器(24)的输入分别与进水管连接。
2.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述水蒸气甲烷重整器(2)分别设置有燃料、水、空气与合成气入口。
3.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述水蒸气甲烷重整器(2)分为燃烧室和重整室；燃烧室中燃料CH4与空气发生燃烧反应，生成CO2和水蒸气；重整室中燃料CH4与水蒸气发生重整反应，生成合成气(CO+3H2)。
4.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述第二混合传导膜(7)、第三混合传导膜(8)、第四混合传导膜(9)和第五混合传导膜(10)中进料侧与渗透侧与第一混合传导膜(6)中相同。
5.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述第一余热锅炉(4)出口蒸汽进入第一汽轮机(13)做功，并驱动第一发电机(16)发电。
6.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述第二余热锅炉(5)出口蒸汽进入第三汽轮机(15)做功，并驱动第三发电机(18)发电。
7.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述从进水管的给水分别与经第三换热器(21)、第四换热器(22)、第五换热器(23)和第六换热器(24)加热成蒸汽后，进入第二汽轮机(14)做功，并驱动第二发电机(17)发电。
8.根据权利要求1所述用混合传导膜捕获燃煤电厂CO2的系统，其特征在于，所述混合传导膜MECC能传导碳酸根离子与电子。
9.一种用混合传导膜MECC捕获燃煤电厂烟气中CO2的方法，其特征在于，包括：
1)燃煤电厂锅炉(1)尾部烟气经冷凝器(11)后，与经多级压缩机(12)后的空气进入水蒸气甲烷重整器(2)的燃烧室，在从水蒸气甲烷重整器(2)的燃料、水、空气与合成气入口进入水蒸气甲烷重整器(2)的燃烧室中的燃料CH4与空气发生燃烧反应，生成CO2和水蒸气；重整室中燃料CH4与水蒸气发生重整反应，生成合成气(CO+3H2)在混合器(3)混合后，进入第一混合传导膜(6)的进料侧；
2)第一混合传导膜(6)进料侧的二氧化碳与氧气在进料侧传导膜表面发生电化学反应生成碳酸根离子；未反应的气体经冷凝器(11)后进入第二混合传导膜(7)；
3)第一混合传导膜(6渗透侧的碳酸根离子在渗透侧传导膜表面发生电化学反应生成二氧化碳与氧气，其中氧气与来自水蒸气甲烷重整器(2)的合成气CO与H2发生反应生成二氧化碳与水；所述第二混合传导膜(7)、第三混合传导膜(8)、第四混合传导膜(9)和第五混合传导膜(10)中进料侧与渗透侧传导膜表面发生电化学反应与第一混合传导膜(6)中相同；
4)步骤(2)与步骤(3)中各混合传导膜渗透侧富集的二氧化碳经第一余热锅炉(4)与冷凝器(11)后，进入多级压缩机(12)压缩，最后捕集回收。
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